2000～2020年平昌县植被覆盖度时空变化特征分析

方建平，魏 荣，杨建勇

(1.四川省平昌县得胜镇林业站，四川 平昌 636400；2.四川省平昌县林业局，四川 平昌 636400；3.四川省林业和草原调查规划院，四川 成都 610081)

1 引言

植被覆盖度指植被地面垂直投影面积占区域总面积的比例，可反映区域地表植被生长状况，其变化对区域生态环境状况具有重要指示意义[1，2]。而归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)作为植被覆盖变化研究中最常用的指标之一，可综合反映区域植被覆盖度和植被生长状况。同时，NDVI能在较大时空尺度上反映植被覆盖信息，是监测区域植被和生态环境变化的最佳指示因子，在植被遥感中应用广泛[3，4]。因此，应用卫星遥感技术提取区域NDVI，研究区域植被覆盖度时空变化，对地区科学规划造林绿化空间，精准提升林草质量，推动区域生态文明建设具有重要现实意义[5，6]。

近年来，平昌县先后实施了退耕还林工程、天然林保护及后续生态工程，开展了集体林权制度改革、森林分类区划界定、林业有害生物防治和森林防火等工作，森林资源的数量与质量都有了较大改善[7，8]。同时，受近年来区域极端天气频发、城镇化进程快速推进、区域林分结构相对单一等因素影响，平昌县局部地区出现了植被退化现象[9，10]。因此，本文基于平昌县2000年和2020年Landsat遥感影像数据，提取归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)，并运用空间自相关等方法[11，12]，全面分析2000～2020年平昌县植被覆盖度时空变化特征，以为平昌县准确掌握植被覆盖变化情况，深入实施林业生态保护和修复重大工程，统筹推进城乡绿化，扩大退耕还林还草规模，进一步加强森林经营等提供参考。

2 研究区概况

平昌县位于四川省盆地东北边缘米仓山南麓，幅员面积2228.79 km2，地理位置介于东经106°50′～107°34′、北纬31°16′～31°52′之间，东邻万源市、宣汉县，南接达州市、渠县，西临营山县、仪陇县，北与通江县、巴州区接壤。境内有通江、巴河、蒙溪河、磴子河等大小河流67条，属嘉陵江流域渠江水系。年降水夏多冬少，气候温和，四季分明，属四川盆地中亚热带湿润季风气候区。森林土壤有紫色土、黄壤、新冲积土等3个土类，以紫色土和黄壤居多。平昌县植物资源丰富，种类繁多，属大巴山马尾松常绿阔叶林带植被类型。有杉科、樟科、柏科等50余科160余种，主要树种有马尾松、柏木、桤木、枫杨、刺槐等，灌木以化香、盐肤木为主，灌丛以马桑、黄荆、悬钩子、杜鹃为主，地被物以丝茅、蕨类、苔藓为主。

3 数据与方法

3.1 数据来源

本研究数据采用平昌县30m年最大NDVI数据，具体以2000和2020年为时间断面，基于Google Earth Engine云计算平台，利用全年Landsat5/7/8遥感数据，通过去云去阴影得到Landsat有效观测数据，然后对每一个Landsat有效观测进行NDVI提取[13～15]，并结合线性插值等方法，最终得到平昌县境内各像元所在位置在一年中的NDVI最大值。该数据集空间分辨率为30 m，时间分辨率为每年。

3.2 研究方法

本研究运用空间自相关分析方法[11，12]，具体以全局空间自相关和局部空间自相关来研究2000～2020年平昌县植被覆盖空间变化特征。

(1)全局空间自相关系数用表示，是从整体上衡量空间要素之间的相互关系，其值在[-1，1]之间。大于0表示存在空间正相关，且越接近1 集聚程度越高；小于0为负相关，等于0则表明不存在空间相关性。全局Moran'sI计算公式如下：

(1)

式(1)中，n为样本量，即空间单元的个数。xi，xj是空间单元i和j的属性值，Wij表示空间单元和的邻近关系，当和为邻近的空间位置时，Wij=1；反之，Wij=0。

(2)局部空间自相关系数用表示，是从局域尺度研究区域内部某空间单元与周围邻近单元的空间差异程度，用来进一步考察区域内局域空间的异质性，其值在[-1，1]之间,大于0表示某单元属性值与周围邻近单元的空间差较异小，在空间格局上表现为高—高型集聚或低—低型集聚；小于0表示某单元属性值与周围邻近单元的空间差异较大，在空间格局上表现为高—低型分异或低—高型分异；等于0则表示空间差异性不显著。局部计算公式如下：

(2)

式(2)中，xi，xj，Wij含义同式(1)。

4 结果与分析

4.1 植被覆盖度总体空间分布特征

2000～2020年(图1)，平昌县植被覆盖度均呈现出东北部、西北部高于中部、南部的空间分布特征。2000年NDVI数值处于0.1529～0.9953之间，全县NDVI均值为0.7194；2020年NDVI数值处于0.1529～0.9953之间，全县NDVI均值为0.7119。2000～2020年，平昌县植被覆盖度较低的区域主要在河流沿岸和城镇等人类活动强度较大的地区，如沿通江、巴河流域地区，以及同州街道、江口镇、金宝乡等城镇化水平较高的地区，植被覆盖度普遍较低。而镇龙镇、笔山镇、望京乡、得胜镇等海拔相对较高、且人类活动强度相对较小的地区，植被覆盖度普遍较高。

(a)2000年 (b)2020年

4.2 植被覆盖度差值空间分布特征

运用Arcgis10.6软件栅格计算器工具对平昌县2000和2020年的植被覆盖度进行差值分析，并根据差值正负及数值大小将所得的栅格图层按明显改善、中度改善、基本稳定、中度退化、明显退化5个等级进行重分类，得到2000～2020年平昌县植被覆盖度变化面积数据(表1)。2000～2020年平昌县植被覆盖度整体稳定，东北部和西南部有中度改善趋势，但中部和西北部有明显退化趋势。从表1可以看出，2000～2020年，平昌县植被覆盖度基本稳定区域占全县面积的88.22%，明显改善和中度改善区域分别占全县面积的0.14%和3.39%，而中度退化和明显退化区域分别占全县面积的5.75%和2.5%。2000～2020年，平昌县植被覆盖度退化区域面积大于改善区域面积，这主要是因为目前平昌县境内现有林分结构单一，质量不高。其次，经营区内树种龄组结构不合理，森林生态功能较差，水土保持及抵御病虫害等防护能力较弱。同时，由于部分林地杂灌、刺藤、杂草众多，林木天然整枝较差，使林木生长缓慢，成片林分蓄积量低。不过随着近年来平昌县森林质量精准提升等项目的实施，这一现状正在不断改善。

表1 2000～2020年平昌县植被覆盖度变化面积

4.3 植被覆盖度变化相关性分析

为进一步明晰平昌县2000～2020年植被覆盖度变化的空间特征，运用 ArcGIS10.6软件，在 2000～2020年平昌县植被覆盖度变化图的基础上创建30m的渔网，再以表格进行分区统计后，进行全局空间自相关分析，得到2000～2020年平昌县植被覆盖度变化的Moran's I指数数值为0.18，同时Z值为正，且P值显示全局空间自相关分析通过了显著性水平0.001的检验，说明2000～2020年平昌县植被覆盖度变化整体格局呈现较强的空间自相关性，且植被覆盖度变化表现出显著的空间集聚分布态势。

全局空间自相关仅从整体上分析了2000～2020年平昌县植被覆盖度变化的空间特征，但无法从局部精准测度区域内部的空间相关性。因此，使用ArcGIS10.6 软件局部空间自相关分析工具，得到2000～2020年平昌县植被覆盖度变化局部值，并最终得到2000～2020年平昌县植被覆盖度变化局部空间自相关各类型面积数据(表2)。结果显示，2000～2020年平昌县植被覆盖度变化局部空间自相关“不显著”区域占全县面积的81.7%，“高—高集聚型”和“高—低分异型”区域分别占全县面积的7.82%和2.75%，“低—高分异型”和“低—低集聚型”区域分别占全县面积的2.46%和5.27%。其中，平昌县东北部和西南部表现出明显的“高—高集聚型”空间格局，而中部和西北部表现明显的“低—低集聚型”空间格局。

表2 2000～2020年平昌县植被覆盖度变化局部空间自相关各类型面积

5 结论与讨论

本研究以平昌县为研究对象，选取2000年和2020年Landsat遥感影像数据，提取归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)，并运用空间自相关等方法，全面分析了平昌县2000～2020年植被覆盖度时空变化特征。主要结论如下。

(1)2000～2020年，平昌县植被覆盖度总体水平较高，且呈现出东北部、西北部高于中部、南部的空间分布特征。2000和2020年全县NDVI均值分别为0.7194和0.7119。植被覆盖度较低的区域主要在河流沿岸和城镇等人类活动强度较大的地区，而植被覆盖度较高的区域则主要分布在海拔相对较高，且人类活动强度相对较小的地区。

(2)2000～2020年，平昌县植被覆盖度整体稳定，东北部和西南部有中度改善趋势，而中部和西北部有明显退化趋势。2000～2020 年，平昌县植被覆盖度明显改善、中度改善、基本不变、中度退化、明显退化区域分别占全县面积的0.14%、3.39%、88.22%、5.75%、2.5%。2000～2020 年，由于平昌县境内林分结构、龄组结构、树种组成等比较单一，部分区域植被覆盖出现退化趋势。

(3)2000～2020年，平昌县植被覆盖度变化整体格局呈现较强的空间自相关性，且植被覆盖度变化表现出显著的空间集聚分布态势。2000～2020年平昌县植被覆盖度变化全局空间自相关分析显示，Moran's I指数数值为0.18，Z值为正，且P值通过了显著性水平0.001的检验。2000～2020年平昌县植被覆盖度变化局部空间自相关分析表明，平昌县植被覆盖度变化东北部和西南部呈“高—高集聚型”空间格局，而中部和西北部呈“低—低集聚型”空间格局。

本研究基于Landsat遥感影像数据，从时间尺度和空间尺度研究了平昌县2000～2020年植被覆盖度时空变化特征，并结合平昌县实际情况，初步分析了影响其植被覆盖变化的自然、人为等因素，但区域植被覆盖变化是一个多因素复合影响的动态过程，如气候因子、地理因子、人类活动强度等，因此，在以后的研究中还需进一步对平昌县植被覆盖度进行长时间序列时空特征的分析和多影响因子的探讨。